DE19623742A1 - Device for displacement and / or position detection in a spindle drive - Google Patents
Device for displacement and / or position detection in a spindle driveInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verschiebeweg und/oder Positionserfassung bei einem Spindeltrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for displacement and / or position detection in a spindle drive after Preamble of claim 1.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine solche Einrichtung bei hoher Anzeigegenauigkeit möglichst klein auszubilden. Eine kleine Ausbildung soll es ermöglichen, diese Einrichtung in vorhandene Teile des Spindeltriebs zu integrieren.The invention addresses the problem of such a problem Set up as small as possible with high display accuracy to train. A small education should make it possible this facility into existing parts of the spindle drive integrate.
Eine Lösung hier zu zeigt das kennzeichnende Merkmal des An spruchs 1 auf.A solution to this shows the characteristic of the An say 1.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprü che. Anhand eines Ausführungsbeispieles werden diese noch näher erläutert werden.Appropriate configurations are the subject of the subclaims che. Using an exemplary embodiment, these are still are explained in more detail.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, bei einem Spindel trieb zur Messung des Verschiebeweges und der Verschiebepo sition des Verschiebeteiles dieses Triebes insbesondere das an dem Verschiebeteil vorhandene Antriebsprofil bei einem Magnetsensor zur Magnetfeldveränderung zu benutzen und diese Magnetfeldveränderung zur Bestimmung des Verschiebeweges und der absoluten verschobenen Position auszuwerten. Das An triebsprofil des beispielsweise als Spindel ausgebildeten Verschiebeteils ist dabei entweder ein Gewinde oder eine Rillierung mit gleichen Rillenabständen. Das Rillen- bzw. Gewindeprofil sollte insbesondere derart sein, daß in Längs richtung möglichst in allen Bereichen gegenüber der Ver schiebe-Längsachse geneigte Profilflächen unter Ausschluß einer Neigung von 90° vorhanden sind. Anderenfalls leidet die Meßgenauigkeit. Ideal für die erfindungsgemäße Einrich tung ist beispielsweise ein Gewinde mit einem etwa dreiecki gen Gewindeprofilquerschnitt bei direkter Aneinanderreihung der Profildreiecke in Verschiebe-Längsrichtung.The invention is based on the idea of a spindle urged to measure the displacement and the displacement po sition of the sliding part of this drive especially that on the sliding part existing drive profile at one Magnetic sensor to change the magnetic field and use it Magnetic field change to determine the displacement and evaluate the absolute shifted position. The To drive profile of, for example, a spindle Sliding part is either a thread or a Grooving with the same groove spacing. The grooved or Thread profile should in particular be such that in longitudinal direction in all areas towards the Ver sliding longitudinal axis inclined profile surfaces under exclusion are at an incline of 90 °. Otherwise suffers the measurement accuracy. Ideal for the Einrich invention For example, a thread with an approximately triangular shape cross-section of the thread profile in a direct sequence the profile triangles in the longitudinal direction.
Bei einem relativ feinen Antriebsprofil eines Verschiebetei les, das heißt beispielsweise bei einem feinen Gewindepro fil, mit dem sich bei hohen Übersetzungsverhältnissen gerin ge Verschiebewege erzielen lassen, wird für eine genaue Ver schiebewegmessung und Auswertung ein empfindlicher Magnet feldsensor benötigt. Als ein solcher kann ein an sich be kannter magnetoresistiver Sensor in recht vorteilhafter Wei se eingesetzt werden. With a relatively fine drive profile of a sliding part les, that means for example with a fine thread pro fil, with which to cope with high gear ratios To achieve ge displacement, is for an accurate Ver sliding travel measurement and evaluation a sensitive magnet field sensor required. As such, one can be known magnetoresistive sensor in a very advantageous white se can be used.
Ein solcher Sensor wird in ein Magnetfeld eingesetzt, dessen Ausbildung unter anderem von der Lage des Verschiebeteiles abhängig ist. Hierzu ist der Sensor derart auf die Oberflä che des Antriebsprofiles, beispielsweise ein Feingewinde der Spindel des Spindeltriebs ausgerichtet, daß ein Verschieben der Gewindeprofilflanken durch das Magnetfeld eine elektro nische Erfassung und Abbildung der erfolgten Verschiebung ermöglicht. Elektronische Erfassung und Abbildung der Ver schiebung des Antriebsprofils der Spindel bedeutet, daß die an dem Sensor vorbeigeschobenen Spitzen und Täler des An triebsprofils der Spindel entsprechend erfaßt und ausgewer tet werden. Der Verschiebeweg der Spindel kann damit einfach festgehalten werden. Darüber hinaus ist aber auch recht ein fach eine absolute Positionsbestimmung des Verschiebeteiles möglich.Such a sensor is used in a magnetic field, the Training among other things from the position of the sliding part is dependent. For this purpose, the sensor is placed on the surface che of the drive profile, for example a fine thread Spindle of the spindle drive aligned that shifting the thread profile flanks an electro African recording and mapping of the shift enables. Electronic recording and mapping of ver shifting the drive profile of the spindle means that the peaks and valleys of the An pushed past the sensor drive profile of the spindle recorded and evaluated accordingly be tested. This makes it easy to move the spindle be held. Beyond that, however, is also quite a fold an absolute position determination of the sliding part possible.
Im einfachsten Fall wird ausgehend von einer Nullposition der Spindel als Verschiebeteil jeweils inkremental die Ver schiebung ermittelt, gezählt und in einem elektronischen Speicher festgehalten. Auf diese Weise ist jeweils die abso lute Verschiebeposition feststellbar.In the simplest case, starting from a zero position the spindle as a sliding part of the Ver shift determined, counted and in an electronic Memory held. In this way, the abso lute shift position noticeable.
Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Erfassung der absoluten Verschiebeposition des Verschiebeteiles gibt der Anspruch 5 an. Hierauf wird bei der Beschreibung eines Aus führungsbeispieles noch näher eingegangen werden. Another possibility for the detection of the invention absolute displacement position of the sliding part gives the Claim 5. This is when describing an off example will be discussed in more detail.
Wird der Spindeltrieb über einen elektrischen Servomotor, der ein bürstenloser permanentmagneterregter Servomotor ist, angetrieben, so kann bei einem sehr spielarmen Spindeltrieb der zur Weg- und Positionsmessung eingesetzte Magnetfeldsen sor gleichzeitig zur Kommutierung dieses Motors eingesetzt werden.If the spindle drive is driven by an electric servo motor, which is a brushless permanent magnet excited servo motor, driven, so can with a very low backlash spindle drive the magnetic fields used for distance and position measurement sensor was also used to commutate this motor will.
Im übrigen können die mit der erfindungsgemäßen Weg- und/oder Positionserfassungseinrichtung ermittelten Werte zur Steuerung und Regelung des Spindelantriebes, der insbe sondere ein Elektromotor ist, herangezogen werden.Otherwise, the path with the inventive and / or values determined by the position detection device to control and regulate the spindle drive, esp special is an electric motor can be used.
Magnetoresistive Magnetfeldsensoren als magnetoresistive Längenmeßelemente einzusetzen, ist an sich bekannt. Hierzu wird beispielsweise auf folgende Literaturstellen verwiesen: "in Nanometerschritten", Konstruktion & Elektronik, Nr. 26/27 vom 16. 12. 1992, Seite 8; digitale Längen- und Winkel meßtechnik", verlag moderne industrie, 2. Auflage 1991; F. Dettmann, U. Loreit "Positionsmessung mit magnetoresisitven Sensoren" Symposium magnetoresistive Sensoren 25. 06. 92 in Dortmund.Magnetoresistive magnetic field sensors as magnetoresistive Using length measuring elements is known per se. For this For example, reference is made to the following references: "in nanometer steps", construction & electronics, no. 26/27, Dec. 16, 1992, page 8; digital lengths and angles measurement technology ", modern industry publisher, 2nd edition 1991; F. Dettmann, U. Loreit "Position measurement with magnetoresistive Sensors "Symposium magnetoresistive sensors 06/25/92 in Dortmund.
Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Erläuterungsdiagram men zu der elektronischen Meßwerterfassung und Auswertung sind in der Zeichnung dargestellt.Embodiments of the invention with explanatory diagram men for the electronic data acquisition and evaluation are shown in the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Planeten-Rollspindeltriebs, Fig. 1 is a schematic sectional view of a planetary roller spindle drive,
Fig. 2 die Anordnung eines Magnetfeldsensors mit Bezug auf das Profil einer Spindel mit qualitativer Darstel lung des Magnetfeldes, Fig. 2 shows the arrangement of a magnetic field sensor with respect to the profile of a spindle with qualitative depicting development of the magnetic field,
Fig. 3 ein Diagramm mit einer elektronischen Abbildung der Abstände der Profilspitzen einer längsverschobenen Spindel, Fig. 3 is a diagram of an electronic image of the distances between the tips of a profile shifted along the spindle,
Fig. 4 die Anordnung von zwei Magnetfeldsensoren mit Bezug auf eine durch eine Mitnehmer-Spindel verlängerte Spindel mit unterschiedlichen Steigungen beider Spindeln, Fig. 4 shows the arrangement of two magnetic field sensors with respect to a prolonged by a driver spindle spindle with different slopes of both spindles,
Fig. 5 ein Diagramm mit den elektronischen Abbildungen der Abstände der Profilspitzen der eigentlichen Spindel einerseits und der Mitnehmer-Spindel andererseits. Fig. 5 is a diagram with the electronic images of the distances between the profile tips of the actual spindle on the one hand and the driver spindle on the other.
Der Spindeltrieb ist ein Planeten-Rollspindeltrieb wie ein solcher beispielsweise aus EP 0 320 621 B1 bekannt ist. Im einzelnen besteht er aus einer Gewindespindelstange 1, die von einer ortsfest gelagerten Spindelmutter 2 über zwischen geschaltete Planetenrollen 3 angetrieben wird. Die Spindel stange 1 ist mit einem Feingewinde versehen. Die Spindelmut ter 2 besitzt eine grobe Rillierung. Die Planetenrollen 3 besitzen überlappend eine feine in das Gewinde der Spindel stange 1 eingreifende Rillierung sowie eine grobe in die Spindelmutter 2 eingreifende Rillierung. Die Spindelstange 1 ist drehfest gelagert und führt somit bei angetriebener Spindelmutter 2 eine Linearbewegung aus. Die Spindelmutter 2 ist Bestandteil des Rotors eines in den Spindeltrieb inte grierten elektrischen AC-Servomotors, der ein bürstenloser permanentmagneterregter Servomotor 4 ist.The spindle drive is a planetary roller spindle drive such as is known, for example, from EP 0 320 621 B1. Specifically, it consists of a threaded spindle rod 1 , which is driven by a stationary spindle nut 2 via planetary rollers 3 connected between. The spindle rod 1 is provided with a fine thread. The spindle nut ter 2 has a rough grooving. The planetary rollers 3 have overlapping a fine groove 1 engaging in the thread of the spindle rod and a coarse groove engaging in the spindle nut 2 . The spindle rod 1 is rotatably mounted and thus executes a linear movement when the spindle nut 2 is driven. The spindle nut 2 is part of the rotor of an integrated in the spindle drive integrated electric AC servo motor, which is a brushless permanent magnet excited servo motor 4 .
Zur Erfassung des Verschiebeweges der Spindelstange 1 ist ein radial auf diese gerichteter magnetoresistiver Sensor 5 vorgesehen. Den speziellen Aufbau dieses Sensors 5 und des sen Anordnung mit Bezug auf die Spindelstange 1 lassen sich der Fig. 2 entnehmen.A radially directed magnetoresistive sensor 5 is provided to detect the displacement path of the spindle rod 1 . The special structure of this sensor 5 and its arrangement with reference to the spindle rod 1 can be seen in FIG. 2.
Danach besteht der Sensor 5 aus einem Permanentmagnet 6, der mittels Klebstoff 7 an einem plattenförmigen Trägersubstrat 8 befestigt ist, sowie einer magnetoresistiven Sensoraktiv schicht 9. Die Sensoraktivschicht 9 ist auf der der Spindel stange 1 zugewandten Seite des plattenförmigen Träger substrats 8 angebracht, während sich der Permanentmagnet 6 auf der gegenüberliegenden Seite befindet. Das plattenförmi ge Trägersubstrat 8 verläuft etwa parallel zur Achse der Spindelstange 1. Die Polachse des Permanentmagneten 6 ist in einem stumpfen Winkel gegenüber der Achse der Spindelstange 8 geneigt. Der Nord- und Südpol des Permanentmagneten 6 ist mit N bzw. S angegeben. Unter Einbeziehung des Gewindepro fils der aus magnetisierbarem Material bestehenden Spindel stange 1 erzeugt der Permanentmagnet 6 ein Magnetfeld 10. Dieses Magnetfeld 10 ist durch die eingetragenen kreisförmig verlaufenden Feldlinien qualitativ angedeutet. Die Verschie berichtung der Spindelstange 1 ist mit einem Doppelpfeil V angegeben. Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Profil spitzen der Gewindestange 1 ist als L definiert.Thereafter, the sensor 5 consists of a permanent magnet 6 , which is attached by means of adhesive 7 to a plate-shaped carrier substrate 8 , and a magnetoresistive sensor active layer 9 . The active sensor layer 9 is attached to the rod 1 facing the side of the plate-shaped carrier substrate 8 , while the permanent magnet 6 is on the opposite side. The plate-shaped carrier substrate 8 runs approximately parallel to the axis of the spindle rod 1 . The pole axis of the permanent magnet 6 is inclined at an obtuse angle with respect to the axis of the spindle rod 8 . The north and south poles of the permanent magnet 6 are indicated with N and S, respectively. Including the threaded profile of the spindle 1 made of magnetizable material, the permanent magnet 6 generates a magnetic field 10 . This magnetic field 10 is indicated qualitatively by the circular field lines entered. The displacement direction of the spindle rod 1 is indicated by a double arrow V. The distance between two successive profile tips of the threaded rod 1 is defined as L.
Bei einem Durchlaufen des Magnetfeldes 10 des ortsfest ange brachten Sensors 5 erzeugt die verdrehungsfrei gelagerte Spindelstange 1 eine Art elektronische Abbildung der Abstän de der Gewindeprofilspitzen entsprechend der Darstellung in dem Diagramm der Fig. 3. Dort geben s den Verschiebeweg der Spindelstange 1 und U die elektrische Spannung einer an den magnetoresistiven Sensor 5 angeschlossenen Auswerteelektro nik an. Bei der Auswertung der Meßsignale wird eine arc-tan-Interpolation vorgenommen.When running through the magnetic field 10 of the fixed sensor 5 , the torsionally mounted spindle rod 1 generates a kind of electronic image of the distances of the thread profile tips as shown in the diagram in FIG. 3. There s the displacement of the spindle rod 1 and U give the electrical Voltage connected to the magnetoresistive sensor 5 evaluation electronics. Arc-tan interpolation is carried out when evaluating the measurement signals.
Wie eine solche elektronische Abbildung mit einem magnetore sistiven Sensor 5 im einzelnen praktisch erzeugt werden kann, ist Stand der Technik, weshalb hierauf an dieser Stel len nicht näher eingegangen werden muß. Auf die weiter oben bereits angegebenen Literaturbeispiele wird hier nochmals ausdrücklich verwiesen.How such an electronic image with a magnetoresistive sensor 5 can be practically generated in detail is state of the art, which is why there is no need to go into this at this point. Reference is once again made expressly to the literature examples already given above.
Durch Ausgehen von einer Nullposition der Spindelstange 1 und stetem Zählen der Gewindespitzen und -täler, die bei ei nem Verschieben der Spindelstange 1 längs des Sensors 5 elektronisch abgebildet werden (Inkrementalverfahren), läßt sich mit Hilfe eines elektronischen Speichers nicht nur der jeweilige relative Verschiebeweg der Spindelstange 1, son dern auch deren absolute Axial-Position erfassen und ange ben.By assuming a zero position of the spindle rod 1 and counting the thread peaks and troughs, which are electronically mapped when the spindle rod 1 is moved along the sensor 5 (incremental method), not only the relative displacement path of the respective one can be adjusted with the help of an electronic memory Spindle rod 1 , son also detect their absolute axial position and be ben.
Eine andere Art einer absoluten axialen Positionsmessung der Spindelstange 1 besteht in einem Einsatz von jeweils zwei magnetoresistiven Sensoren. Davon ist einer dem Gewindepro fil der Spindelstange 1 über ein Magnetfeld zugeordnet und auf die Steigung dieses Gewindeprofiles abgestimmt. Der zweite Sensor ist als Zusatzsensor 11 ebenfalls über ein Ma gnetfeld einem fest mit der Spindelstange 1 verbundenen Mit nehmer mit einem Gewinde mit einer von der Spindelstange 1 abweichenden Steigung zugeordnet.Another type of absolute axial position measurement of the spindle rod 1 consists in the use of two magnetoresistive sensors in each case. One of which is assigned to the thread profile of the spindle rod 1 via a magnetic field and is matched to the pitch of this thread profile. The second sensor is also assigned as an additional sensor 11 via a magnetic field to a fixed member connected to the spindle rod 1 with a thread having a pitch that deviates from the spindle rod 1 .
Ein Ausführungsbeispiel hierzu zeigt Fig. 4, in der der Mit nehmer eine axiale Verlängerung in der Form einer Mitnehmer-Spindel 12 ist. Diese Mitnehmer-Spindel 12 kann ein einstückiger Bestandteil der Spindelstange 1 sein und sich von die ser lediglich durch eine geringfügig abweichende Steigung unterscheiden. Die unterschiedlichen Steigungen sind in Fig. 4 mit D₀ = L bei der Spindelstange 1 und mit D₁ = 1,2 L bei der Mitnehmer-Spindel 12 eingetragen.An embodiment of this is shown in Fig. 4, in which the slave is an axial extension in the form of a driver spindle 12 . This driver spindle 12 can be an integral part of the spindle rod 1 and differ from the water only by a slightly different slope. The different gradients are entered in Fig. 4 with D₀ = L for the spindle rod 1 and with D₁ = 1.2 L for the driving spindle 12 .
Durch Überlagerung der jeweils ermittelten elektronischen Abbildungen der Verschiebewege läßt sich eine absolute Posi tion der Spindelstange 1 über eine bestimmte Verschiebe weglänge D ermitteln. Zur Erklärung wird auf die elektroni schen Abbildungen der über die beiden Sensoren 5 und 11 er mittelten elektronisch ausgewerteten Meßwertkurven und deren Überlagerung gemäß der Darstellung in Fig. 5 verwiesen. Dort sind die elektronischen Auswertekurven der beiden Sensoren 5 und 11 in einem der Fig. 4 entsprechenden Weg (s)-Spannungs(U)-Diagramm eingetragen. Bei einer Steigung von D₁ = 1,2 L = 1,2 D₀ der Mitnehmer-Spindel 12 gegenüber D₀ = L der Spindelstange 1 stellt sich erst nach einem Verschiebe weg der Spindelstange 1 von D = 6 L eine deckungsgleiche Signalauswertung bezüglich der Meßsignale aus den beiden Sensoren 5 und 11 ein. Dies bedeutet, daß innerhalb des Be reiches D bei einem Überlagern der Signalauswertungen beider Sensoren 5, 11 jedem zurückgelegten Verschiebeweg ein ein deutiger Wert zugeordnet werden kann. Der Bereich D, inner halb dessen dies möglich ist, errechnet sich aus D = D₀ + [D₀ : (D₁ - D₀)]. Daraus ergibt sich, daß der Wert von D mit ver ringerter Differenz von D₁ und D₀ zunimmt. Bei einer kleinen Steigungsdifferenz bei den beiden Spindeln 1 und 12 kann so mit ein relativ großer Bereich D erzielt werden, innerhalb dessen absolut definierte Spindelpositionen direkt erfaßbar sind.By overlaying the respectively determined electronic images of the displacement paths, an absolute position of the spindle rod 1 can be determined via a specific displacement path length D. For explanation, reference is made to the electronic illustrations of the electronically evaluated measured value curves determined by the two sensors 5 and 11 and their superimposition as shown in FIG. 5. There, the electronic evaluation curves of the two sensors 5 and 11 are entered in a path (s) -voltage (U) diagram corresponding to FIG. 4. At a slope of D₁ = 1.2 L = 1.2 D₀ of the driver spindle 12 relative to D₀ = L of the spindle rod 1 is only reached after a displacement path of the spindle rod 1 of D = 6 L a congruent signal evaluation with respect to the measurement signals from the two sensors 5 and 11 . This means that a clear value can be assigned to each displacement path within the loading range D when the signal evaluations of both sensors 5 , 11 are superimposed. The area D within which this is possible is calculated from D = D₀ + [D₀: (D₁ - D₀)]. It follows that the value of D increases with a reduced difference between D₁ and D₀. With a small pitch difference in the two spindles 1 and 12 , a relatively large area D can be achieved within which absolutely defined spindle positions can be directly detected.
Bei einem praktisch spielfreien Spindeltrieb kann der magne toresistive Sensor 5 unter anderem auch zur Kommutierung des Servomotors 4 verwendet werden. Hierdurch kann ein sonst für die Kommutierung erforderlicher Sensor eingespart werden. Da der magnetoresistive Sensor sehr klein ausführbar ist, kann er innerhalb des Spindeltriebes direkt an bzw. innerhalb des Servomotors 4 eingebaut sein. Ein erfindungsgemäßer magneto resistiver Sensor 5 mißt in allen Richtungen nur wenige Mil limeter und zwar einschließlich des in der Regel mit diesem direkt verbundenen Permanentmagneten.With a practically backlash-free spindle drive, the magnetoresistive sensor 5 can also be used for commutation of the servo motor 4 , among other things. This can save a sensor that is otherwise required for commutation. Since the magnetoresistive sensor can be made very small, it can be installed directly on or within the servo motor 4 within the spindle drive. A magneto-resistive sensor 5 according to the invention measures only a few milimeters in all directions, including the permanent magnet generally directly connected to it.
Mit den Meßsignalen des Sensors 5 kann der Spindeltrieb elektronisch gesteuert und geregelt werden.The spindle drive can be electronically controlled and regulated using the measurement signals from sensor 5 .
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